内能
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在热力学里,内能(internal energy)是热力学系统内两个具状态变数之基本状态函数的其中一个函数。内能是指系统所含有的能量,但不包含因外部力场而产生的系统整体之动能与势能。内能会因系统能量的增损而随之改变。
系统的内能可能因(1)对系统加热、(2)对系统作功(英语:Work (thermodynamics)),或(3)添加或移除物质而改变[1]。当系统内有不可穿透的墙阻止物质传递时,该系统称之为“封闭系统”。如此一来,热力学第一定律描述,内能的增加会等于增加的热量加上环境对该系统所做的功。若该系统周围的墙不能传递物质与能量,则该系统称之为“孤立系统”,且其内能会维持定值。
一系统内给定状态下的内能不能被直接量测。给定状态下的内能可由一已给定其内能参考值之参考状态开始,经过一连串热力学操作(英语:Thermodynamic operation)及热力学过程,以达到该给定状态来决定其值。这一连串的操作及过程,理论上可使用该系统的某些外延状态变数来描述,亦即该系统的熵 S、容量 V 及摩尔数 {Nj}。内能 U(S,V,{Nj}) 是这些变数的函数。有时,该函数还能再附加上其他的外延状态变数,如电偶极矩。就热力学及工程学上的实际用途来看,一般很少需要考虑一个系统的所有内含能量,如质量所含有的等价能量。一般而言,只有与研究的系统及程序有关的部分才会被包含进来。热力学一般只在意内能的“变化量”。
内能是一系统内的状态函数,因为其值仅取决于该系统的目前状态,而与达到此一状态所采之途径或过程无关。内能是个外延物理量。内能是个基本热动力势能。使用勒让德变换,可从内能开始,在数学上建构出其他的热动力势能。这些函数的状态变数,部分外延变数会被其共轭内含变数所取代。因为仅是将外延变数由内含变数所取代并无法得出其他热动力势能,所以勒让德变换是必要的。热力学系统的另一个基本状态函数为该系统的熵 S(U,V,{Nj}),是个除熵 S 这个状态变数被内能 U 所取代外,具有相同状态变数之状态函数[2][3][4]。
虽然内能是个宏观物理量,内能也可在微观层面上由两个假设的量来解释。一个是系统内粒子的微观运动(平移、旋转、振动)所产生的微观动能。另一个是与粒子间的化学键及组成物质的静止质量能量等微观力有关之势能。在微观的量与系统因做功、加热或物质转移而产生之能量增损的量之间,并不存在一个简单的普遍关系。
能量的国际单位为焦耳(J)。有时使用单位质量(公斤)的内能(称之为“比内能”)会比较方便。比内能的国际单位为 J/kg。若比内能以物质数量(摩尔)的单位来表示,则称之为“摩尔内能”,且该单位为 J/mol。
从统计力学的观点来看,内能等于系统总能量的系综平均值(英语:Ensemble average)。